火力发电厂地下水环境影响评价的工程实践

王延辉，单 波，寇晓岚

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710032)

随着环境污染对水源水质的影响越来越重，保障和提高水质已成为关系到国计民生的大事，国家对地下水环境的保护力度也逐渐加大，火力发电厂项目对环境保护方面的要求越来越高，根据国家环保部2011年发布的《环境影响评价技术导则 地下水环境》(HJ 610－2016，2016年第一次修订)，以地下水作为供水水源以及对地下水环境可能产生影响的建设项目必须进行地下水环境影响评价工作。电厂项目因为存在潜在污染源，也必须进行地下水环境影响评价。

地下水环境影响评价专题工作自2011年开始，初期因地下水环境导则的针对性比较宽泛，使其在各行业具体应用时也存在一些分歧，电力工程地下水环境勘测评价工作的开展也经历了最初几年的摸索，最终取得了一些行业共识，尤其是2015版导则发布又执行了一段时间之后，随着电力工程专业技术人员技术水平的提升和实践经验的积累，火力发电厂地下水的环境影响评价工作日益成熟。中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司(以下简称西北院公司)已于2009年开展电厂的地下水环境勘察工作，2011年地下水导则发布之后，依托原有水文地质专业团队，积极组织相关技术人员参加各类培训，迅速掌握了地下水环境影响评价技术，至今已完成此类项目近40项。

本文以西北院公司2017年完成的一项火力发电厂的地下水环境影响评价实际工程为例，介绍了最新的火力发电厂地下水环境影响评价工程经验，其中重点对地下水模拟评价部分进行了阐述，通过对该电厂厂址水文地质条件的概化，建立地下水水流模型，确定能够真实刻画研究区地下水水流特征的地下水水流模型，计算在不同情景下污染因子对研究区保护目标的地下水环境影响情况。

1 基本条件

1.1 评价等级及范围

根据Ⅰ类建设项目地下水评价工作的等级指标，火电建设项目由于厂区污染物存贮建筑物在事故工况下发生少量污水泄漏将有可能造成周边地下水水质污染。因此，根据《环境影响评价技术导则地下水环境》(HJ610－2016)的相关规定，本电厂工程属于Ⅰ类建设项目。

按照地下水导则要求并结合本工程周边的区域地质条件、水文地质条件、地形地貌特征和地下水保护目标，确定区域水文地质评价范围：西侧以天堂河为界，东侧以小庵川为界，南侧庙沟－西沟－西河一带为界，调查范围约51.5 km2；建设项目评价区范围西侧以天堂河为界，东侧以天堂河和小庵川之间的分水岭为界，南侧以园子坪沟为界，评价范围约10.4 km2。

根据本地区环境现状调查分析，并结合本工程主要污染物特征，预计工程建设后可能对厂址区、灰场区潜水及其径流下游的分散式饮用水水源井有影响。因此，本项目的地下水环境保护目标为厂址区和灰场区下游村庄分散式生活饮用水水源井。

1.2 水文地质条件

建设项目评价区内有少量饮用及灌溉用水井开采上层潜水，下部承压水暂时没有开采，承压水与潜水之间存在大厚度泥岩隔水层，故评价区以上部潜水为目的含水层。评价区内上层潜水表现为三种类型。

(1)黄土梁区下部溢出泉水，评价区内泉水普遍流量较小，一般2～5 m3/d，属极弱富水性区，泉水一般根据地形自上而下流入下游河谷或中途渗入地下补给下游第四系全新统冲洪积含水层。

(2)河谷川道区第四系全新统冲洪积层孔隙潜水，在评价区主要分布于天堂河、园子坪沟沟谷谷底及两岸，呈带状分布，天堂河沟底冲、洪积堆积物结构松散，孔隙率大，透水性相对强，单井出水量一般介于100～500 m3/d，局部可达720 m3/d，属水量中等富水性分区，园子坪沟沟底冲、洪积堆积以粉土为主，混少量砂卵石，受地层影响，其单井出水量一般小于100 m3/d，属弱富水性分区。

(3)黄土下伏红粘土及第四系下伏基岩中的孔隙裂隙水，黄土层及冲积层与下伏红粘土及基岩风化带之间无隔水层存在，水力联系密切，红粘土因夹多层姜石层故有一定含水性，评价区下伏基岩以泥岩为主夹多层砂岩、砂质泥岩等，基岩裂隙发育程度弱，红粘土及基岩裂隙透水性能较弱，地下水流通条件、赋存条件极差，富水性极弱，且基岩风化带孔隙裂隙水分布不连续，该层水单井出水量不均匀，一般小于100 m3/d，属弱富水性分区。

2 地下水流及溶质运移数值模型

2.1 模拟软件选择

地下水评价评价选取Visual Mod flow软件，该软件是目前国际上最流行且被各国一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统。软件包由水流评价(Mod flow)、平面和剖面流线示踪分析(Modpath)和溶质运移评价(MT 3D)三大部分组成，并且具有强大的图形可视界面功能。设计新颖的菜单结构允许用户非常容易地在计算机上直接圈定模型区域和剖分计算单元，并可方便地为各剖分单元和边界条件直接在机上赋值，做到真正的人机对话。该软件合理的菜单结构、友好的界面和功能强大的可视化特征和极好的软件支撑使之成为许多地下水模拟专业人员选择的对象。其已经普遍应用于我公司承担的所有地下水环境影响评价项目，工程实践证明，其运行可靠，模拟结果较符合实际情况，应用效果良好。

2.2 水文地质概念模型

结合厂址周边地质条件、水文地质条件、地形地貌特征、地下水保护目标和污染物可能的迁移路径确定模拟范围面积约5.8 km2，范围内有河谷川道区和黄土梁区两种地貌单元。评价区内潜水含水层地下水埋深较浅，岩性为砂卵石和粉土，空间分布连续稳定，将潜水含水层划分成一层，靠近河流的河谷川道区地下含水层岩性为砂卵石，厚度平均6.5 m，黄土梁区地下含水层岩性为第四系粉土，平均厚度30 m。模型的边界均为流量边界，通过通用水头边界刻画。

2.3 水流运动与溶质运移数学模型

模拟区地下水流系统可用下列的数学模型表述：

式中：Ω为地下水渗流区域；H为地下水水头(m)；h为含水层含水厚度(m)；S1为模型的第一类边界；S2为模型的第二类边界；q2为边界流量 (m3/d)；kxx，kyy，kzz为分别为x，y，z主方向的渗透系数(m/d)；μ为给水度；w为源汇项，单位时间在垂向上单位面积含水层中

补给(排泄)的水量(m/d)。

本次建立的地下水溶质运移模型是在三维水流影响下的三维弥散问题。溶质运移的三维水动力弥散方程的数学模型如下：

式中：C为地下水中组分的溶解相浓度(ML－3)；θ为含水介质的孔隙度，无量纲；t为时间(T)；xi为沿直角坐标系轴向的距离，L；Dij为水动力弥散系数张量(L2T－1)；Vi为孔隙水平均实际流速(LT－1)；qs为含水层内源/汇的体积流量(T－1)；Cs为源或汇水流中组分的浓度(ML－3)；

在模拟污染物扩散时，不考虑吸附作用、化学反应等因素，重点考虑对流、弥散作用。

初始浓度定为0 mg/L，具体表述为：

地下水模拟将含水层各个边界均看做二类边界条件(Neumann边界)，且穿越边界的弥散通量为0，具体可表述为：

式中：Γ2为Neumann边界。

2.4 地下水水流模型建立

本文利用数值软件Visual MODFLOW建立本工程厂址区的地下水流和溶质运移模型，经校正后对厂址区地下水环境影响进行预测及评价。

在平面上为提高模型的精度，将全区概化为潜水含水层，含水层剖分为1层，共剖分有效单元约92800个。最大单元格为15 m×15 m，最小单元格为5 m×5 m。针对厂址与灰场泄漏点附近及其下游区域单元格进行了加密。

进行模拟预测前，必须对数值模型进行参数识别，结合评价区水文地质条件以及现场抽水试验的结果，并通过模型计算水位和实测水位拟合分析，反复调整参数，最终得到了含水层参数。将模型稳定流水位模拟结果与实测流场进行对比，得到流场拟合效果见图1。

图1 厂址区模拟水位拟合图

3 预测情形及结果

3.1 风险事故情景设计

针对风险事故情景设计，主要考虑到拟建本期工程在建设阶段、生产运行阶段的正常工况及服务期满后的阶段时对地下水环境基本没有影响或影响很弱，不会对地下水造成污染；因此，本次预测主要针对的是拟建本期工程生产运行阶段的事故工况，并重点考虑可能出现的、由地下水污染物迁移对地下水环境产生影响的事故泄漏点设有防渗措施，最终确定三种预测情景：防渗出现破损情况下，即生活污水池、脱硫废水池和灰场发生污染物泄漏。

预测时假设在厂址区防渗破损5%的情况下，计算模拟各泄漏点处的污染因子的运移情况。防渗破损按5%考虑是因为根据对大量垃圾填埋场防渗土工膜的渗漏破损总结，垃圾填埋场在后期运营阶段破损的概率统计为2%～3%，工程对比分析，且考虑到火力发电厂工程的重要性，防渗破损率在预测时考虑最不利因素，故一般按5%考虑。根据电厂工程废污水排放情况最终选择氨氮、Cl－、SO42－和F－污染物作为泄漏点的污染因子。预测时在泄漏点下游30 m处设置浓度观测井。

在模拟污染因子在地下水中的运移情况时，本次溶质模型不考虑吸附作用、化学反应等因素影响，重点考虑对流、弥散的作用。结合前人所做的研究与评价区具体的水文地质条件并出于安全的角度考虑，本次评价区域粉土与粉细砂的纵向弥散度参数值分别取5 m、10 m，水平横向与纵向弥散度的比值为0.1，垂向与纵向弥散度比值为0.01。

3.2 结果分析

本次本期研究区污染因子重点模拟四种有代表性污染因子，本文仅以氨氮为例，计算得出其不同时间的氨氮的迁移范围图，氨氮污染物运移的预测代表性结果见图2、图3。《地下水质量标准》(GB/T14848－2017)中氨氮Ⅲ类标准临界值为0.2 mg/L。图中污染范围的外边界为0.02 mg/L。对于厂址区其他污染因子的模拟计算结果，以表格的形式呈现，见表1。

图2 氨氮泄漏100天后平面浓度分布图

表1 模拟期内厂址区各情形下特征污染因子的迁移特征统计

图3 氨氮污染物泄漏1 000天后平面浓度分布图

根据预测结果，在防渗混凝土破损5%的情况下，氨氮污染物在水平方向上主要向西北迁移扩散。与背景值叠加后，在100天时污染物最大浓度0.42 mg/L，超标范围270 m2，超标范围在厂址内，距离下游厂址边界15 m。在150天时污染晕中心点最大值为0.027。远低于地下水III类标准值0.2 mg/L，以0.02 mg/L等浓度线为外边界的污染物迁移距离为120 m，影响范围6 785 m2，无超标区域。可见在模拟期内一段时间污染物泄漏超标，但超标范围在厂界内，并且超标范围迅速消失，所以在非正常工况下，防渗措施有效，对下游保护目标没有影响。

采用混凝土防渗，正常情况下泄漏点下游30 m处监测井中氨氮污染物浓度最大值为0.0204 mg/L，远低于地下水III类标准值0.2 mg/L。可见在防渗混凝土完好工况下，微量污染物的泄漏不会对地下水水质产生不利影响。

采用混凝土防渗，正常状况下河流处监测井中氨氮污染物浓度最大值为0.0201 mg/L，非正常状况下河流处监测井中氨氮污染物浓度最大值为0.17 mg/L。这两种情况下，污染物浓度都低于地下水III类标准值0.2 mg/L，低于地表水Ⅱ类标准值0.5 mg/L，可见在正常和非正常工况下污染物的泄漏不会造成天堂河水质超标的情况，也不会对泄漏点下游含水层和保护目标造成影响。

4 结论

地下水环评影响评价等级判定、评价范围确定及水文地质条件是评价的基础，必须根据工程建设项目区域环境条件及相关规范综合确定，详细查明水文地质条件才能为影响评价的可靠性提供保证。根据地下水流及溶质数值模拟预测结果地下水影响程度，设计事故工况情景，预测事故工况或持续泄漏情况下对地下水及保护目标的影响，为电厂运行期间可能出现的地下水环境问题提供技术支撑。

[1]王三平，王浩宇.火力发电厂地下水环境影响评价技术方法探讨[J].环境与可持续发展，2013，(06).

[2]HJ610－2016，环境影响评价技术导则—地下水环境[S].

[3]牛志强，王延辉.电力工程地下水环境影响评价工作等级及范围确定方法探讨[J].环境科学与管理，2016，(07).

[4]牛志强，王延辉.在建电厂地下水环境影响评价模拟预测方法研究[J].能源与环境，2017，(06).

[5]王庆永，等.Visual MODFLOW及其在地下水模拟中的应用[J].水资源与工程学报，2007，(10).

[6]冯洁.可视化地下水数值模拟软件在国内的应用[J].地下水，2013，(07).

[7]李国敏，陈崇希.空隙介质水动力弥散尺度效应的分形特征及弥散度初步估计[J].中国地质大学学报，1995，20(4).

[8]GB/T 14848－2017，地下水质量标准 [S].